Linux驱动：RK3568 GMAC + YT8531C 千兆以太网全流程解剖

从零到跑满千兆：RK3568 GMAC + YT8531C 全流程解剖

平台：RK3568 / GMAC0 / YT8531C / RGMII

内核：Linux 5.x（DWMAC 4.20a）

目标：把一块开发板的千兆网口从"编译进内核"一路调到"iperf3 跑满 940Mbps"

0. 阅读地图

本文分七幕，从硬件到协议栈、从配置到调试，逐步深入。建议第一次读按顺序，第二次可以当手册查。

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[1] 硬件与背景          ← 新增：GMAC / PHY / 变压器 / RJ45 全解剖
      │
[2] 内核网络栈全景      ← 建立心智模型
      │
[3] Kconfig + 设备树    ← 让驱动跑起来
      │
[4] Probe → Link Up     ← 上电到链路
      │
[5] TX / RX 数据路径    ← 报文的一生
      │
[6] DHCP / ARP          ← 最后一公里
      │
[7] 调试与调优          ← 从"能通"到"跑满"

1. 硬件与背景

1.1 GMAC 是什么

RK3568 的 GMAC（Gigabit Media Access Controller）是基于 Synopsys DesignWare Ethernet QoS IP 的千兆以太网控制器，具备三个特点：

基于 Synopsys DWMAC 4.20a IP------所以你能在内核里看到大量 dwmac_*、stmmac_* 前缀的源码。
支持 RGMII 和 RMII 两种 PHY 接口（RK3568 板级通常用 RGMII）。
内置高性能 DMA 控制器------这是它跑满千兆的关键。

1.2 GMAC 内部框图

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┌──────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                        CPU / AXI 总线                              │
│         APB（寄存器配置）          AXI（DMA 数据搬运）              │
└──────────┬───────────────────────────────┬───────────────────────┘
           │                               │
    ┌──────▼──────┐                 ┌──────▼──────┐
    │  CSR 寄存器  │                 │   DMA 引擎   │
    │ (配置/状态)  │                 │ (描述符管理)  │
    └─────────────┘                 └──────┬──────┘
                                           │
                                    ┌──────▼──────┐
                                    │  MTL 层     │
                                    │ (FIFO 管理)  │
                                    │ Tx 16KB     │
                                    │ Rx 32KB     │
                                    └──────┬──────┘
                                           │
                                    ┌──────▼──────┐
                                    │  MAC 层     │
                                    │ (帧处理)     │
                                    │ 流控/过滤/CRC│
                                    └──────┬──────┘
                                           │
                                    ┌──────▼──────┐
                                    │ RGMII/RMII  │
                                    │   PHY 接口   │
                                    └─────────────┘

三层分工明确：

DMA（引擎）

通过 AXI 总线搬运数据。
管理描述符环，通知 CPU 收发完成。

MTL（Memory Transaction Layer）

位于 DMA 和 MAC 之间，本质是智能 FIFO 管理器 + 队列调度器。
MAC 是串行的、按位/字节流的，速度由链路速率决定；DMA 是突发的、按块的，速度由总线决定。MTL 就是这两种"节奏"之间的缓冲。
Tx FIFO 16KB / Rx FIFO 32KB，数据积累到阈值就启动搬运/发送。
支持多队列，每个队列有独立的 FIFO 和调度算法。

MAC（Media Access Control）

帧封装/解封装、CRC 校验、前导码生成。
流控：全双工发 PAUSE 帧请求对端暂停；半双工用背压（制造冲突）阻止对端。
地址过滤：决定哪些帧收下、哪些丢弃。
VLAN 处理。

1.3 RGMII 接口

RGMII 是 MAC 和 PHY 之间的千兆接口标准（Reduced Gigabit MII），信号如下：

信号	方向	说明
`gmac_txc`	MAC → PHY	发送时钟（125MHz，双沿采样）
`gmac_rxc`	PHY → MAC	接收时钟（PHY 提供）
`gmac_txctl`	MAC → PHY	发送使能 + 错误
`gmac_rxctl`	PHY → MAC	接收使能 + 错误
`gmac_txd[3:0]`	MAC → PHY	发送数据（4 位，双沿 = 8 位/周期）
`gmac_rxd[3:0]`	PHY → MAC	接收数据

关键约束 ：RGMII 时钟和数据同源发出，接收端必须在数据稳定窗口的中央采样。这就是后面 tx_delay / rx_delay 存在的唯一理由------人为制造时钟与数据之间的相位差。

1.4 MDIO 接口

MAC（或 CPU）通过 MDIO 读写 PHY 寄存器：

信号	说明
`gmac_mdc`	管理数据时钟（最高 ~2.5MHz）
`gmac_mdio`	管理数据输入输出（双向，需要上拉）

物理上像 I2C，但协议不同：MDIO 是单主多从，MAC 发起，PHY 应答。

1.5 数据通路（粗粒度）

发送路径：

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内存 → DMA 读描述符 → DMA 从内存取数据 → MTL Tx FIFO
     → MAC 加 CRC/前导码 → RGMII/RMII → PHY → 网线

接收路径：

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网线 → PHY → RGMII/RMII → MAC 校验 CRC/过滤 → MTL Rx FIFO
     → DMA 写入内存 → DMA 更新描述符 → 中断通知 CPU

1.6 PHY：物理层芯片

PHY 是"数字世界"和"模拟世界"之间的翻译官，职责多达七项：

数模转换：把 MAC 输出的数字信号转换成网线传输的模拟信号，反之亦然。
时钟恢复：网线没有独立时钟线，时钟嵌在数据里。PHY 接收时从数据流恢复时钟，再用它采样数据。
自协商：上电后自动和对端协商速率、双工、流控、主从模式，结果通过 MDIO 寄存器可读。
链路检测：持续检测对端是否在线。
MDIO 管理接口：提供 MDIO/MDC，供 MAC/CPU 读写寄存器。
信号调理：均衡器、回声消除、串扰消除。
模拟侧输出差分线 ：
- 百兆：2 对（1 对专发、1 对专收）
- 千兆：4 对同时收发，靠回声消除实现（发送端知道自己发了什么，接收时从混合信号中减去自己发送的部分）

1.7 网络变压器

在 PHY 和 RJ45 之间，通常还有一个网络变压器，作用有五：

电气隔离：初级/次级之间绝缘（通常 1500V AC），防止两端地电位差损坏芯片，也防雷击浪涌。
阻抗匹配：PHY 输出阻抗（100Ω 差分）和网线特性阻抗（100Ω）匹配，减少反射。
共模抑制：对共模噪声有很强抑制能力，提高 EMI 性能。
信号耦合：通过电磁感应传递差分信号，隔断直流。
Bob Smith 终端：变压器中心抽头通过 75Ω 电阻 + 1nF 电容接地，提供共模终端，进一步抑制 EMI。

1.8 RJ45 接口

RJ45 是 8 引脚接口，对应 4 对差分线：

引脚	千兆	百兆
1,2	BI_DA+/-	TX+/-
3,6	BI_DB+/-	RX+/-
4,5	BI_DC+/-	未用
7,8	BI_DD+/-	未用

千兆下 4 对同时双向传输；百兆下只用 1,2,3,6 两对，且一收一发。

1.9 YT8531C：以太网收发器

YT8531C 是 Motorcomm（裕太）的千兆 PHY，与 RTL8211F 引脚兼容，但延时配置方式不同。

引脚总览（一端接 GMAC，一端接网线）：

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                    ┌──────────────────────┐
          TRXN3  10 │                      │ 30  REG_O/LDO_O/NC
          TRXP3   9 │                      │ 29  DVDD33
          AVDDL   8 │                      │ 28  DVDD_RGMII
          TRXN2   7 │                      │ 27  RX_CLK/PHYAD1
          TRXP2   6 │                      │ 26  RX_CTL/PHYAD2
          TRXN1   5 │                      │ 25  RXD0/RXDLY
          TRXP1   4 │                      │ 24  RXD1/TXDLY
          AVDDL   3 │                      │ 23  RXD2/PLLOFF
          TRXN0   2 │                      │ 22  RXD3/PHYAD0
          TRXP0   1 │                      │ 21  DVDDL
                    │                      │
          GND(EPAD) │    YT8531(D)(P)      │
                    │                      │
          AVDD33 11 │                      │ 20  TX_CLK
          RESET_N 12│                      │ 19  TX_CTL
          MDC     13│                      │ 18  TXD0
          MDIO    14│                      │ 17  TXD1
          TXD3    15│                      │ 16  TXD2
                    └──────────────────────┘

上电配置引脚（Strapping Pins）

复位释放时，以下引脚的电平被锁存为配置信息：

配置引脚	功能	上拉	下拉
PHYAD $2:0$ （26,27,22）	PHY 地址（0~7）	-	-
TXDLY（24）	TX 时钟延迟使能	加延迟	不加
RXDLY（25）	RX 时钟延迟使能	加 2ns 延迟（默认）	不加
CFG_EXT（32）	IO 电源模式	外部电源	内部 LDO
CFG_LDO $1:0$ （34,33）	LDO 输出电压/外部电压选择	见数据手册	见数据手册
PLLOFF（23）	睡眠模式 PLL 关闭	-	-

注意：Strapping 引脚只在复位释放瞬间采样。如果硬件已经把这些脚上拉/下拉固定死，软件层面就不需要再去改延时------除非硬件设计留有可配空间。

关键寄存器速查表

地址	名称	读写	用途
0x00	Basic Control	RW	复位、环回、速度、自协商、掉电
0x01	Basic Status	RO	链路状态、自协商完成
0x02	PHY ID1	RO	0x4F51（识别 YT8531）
0x03	PHY ID2	RO	0x3A1x（型号+版本）
0x04	Auto-Neg Advertisement	RW	10/100M 能力通告
0x05	Link Partner Ability	RO	对端能力
0x09	1000BASE-T Control	RW	千兆能力通告、主从配置
0x0A	MASTER-SLAVE Status	RO	主从结果、接收器状态
0x10	PHY Specific Function Ctrl	RW	Auto-MDIX、极性、SQE 测试
0x11	PHY Specific Status	RO	速度/双工/链路实时状态
0x12	Interrupt Mask	RW	中断使能
0x13	Interrupt Status	RO/RC	中断状态（读清除）
0x1E	Extended Address	RW	扩展寄存器地址
0x1F	Extended Data	RW	扩展寄存器数据
EXT_0xA001	Chip_Config	RW	复位、LDO、RX 延迟
EXT_0xA003	RGMII_Config1	RW	RGMII TX/RX 延迟线配置
EXT_0xA004	RGMII_Config2	RW	RGMII 状态/配置
EXT_0xA005	MDIO_Cfg	RW	PHY 地址 0、广播地址
EXT_0xA006	Misc_Config	RW	Jumbo、远端环回
EXT_0xA007-9	MAC_Address_Cfg	RW	WOL MAC 地址
EXT_0xA00A	WOL_Cfg	RW	WOL 使能、INT/PME 选择
EXT_0xA00B-F	LED Cfg	RW	LED 配置
EXT_0xA010	Pad Drive Strength	RW	IO 驱动强度
EXT_0xA012	SyncE_CFG	RW	SyncE 时钟输出
MMD3/0x14	EEE Capability	RO	EEE 支持能力
MMD7/0x3C	Local EEE Ability	RW	本地 EEE 通告
MMD7/0x3D	Link Partner EEE	RO	对端 EEE 能力

在哪里读这些寄存器？

bash 复制代码

# 读标准寄存器
mii-tool -v eth0                 # 老工具，看基本状态
ethtool eth0                     # 看协商结果

# 读扩展寄存器（用 phytool 或 mdio-tools）
phytool read eth0/0/0x11         # PHY Specific Status
phytool read eth0/0/0xA003       # RGMII 延时配置

1.10 三块拼图总结

组件	角色	RK3568 上的实例
GMAC	以太网 MAC 控制器（DWMAC 4.20a）	`fe2a0000.ethernet`
PHY	物理层收发器（YT8531C）	MDIO 地址 0
接口	MAC ↔ PHY 之间的总线	RGMII（4 位数据，双沿采样）

数据流全景（从 CPU 到网线）：

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CPU ──AXI──▶ DMA ──▶ MTL ──▶ MAC ──RGMII──▶ PHY ──变压器──▶ RJ45 ──网线──▶ 对端

2. 内核网络栈全景

2.1 一张图看清分层

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┌──────────────────────────────────────────────┐
│  用户态：socket()/send()/recv()/ioctl()      │
├──────────────────────────────────────────────┤
│  VFS 层：socket 被抽象成文件                  │
│         struct file → socket_file_ops        │
├──────────────────────────────────────────────┤
│  协议层：TCP / UDP / IP / ICMP / ARP         │
├──────────────────────────────────────────────┤
│  网络设备接口层：                             │
│    struct net_device + net_device_ops        │
│    struct sk_buff（报文载体）                 │
├──────────────────────────────────────────────┤
│  驱动层：stmmac_main.c / dwmac-rk.c          │
├──────────────────────────────────────────────┤
│  硬件：GMAC DMA → MAC → PHY → 网线           │
└──────────────────────────────────────────────┘

2.2 两个核心数据结构

struct sk_buff：报文的"集装箱"

本身不存数据，只存指针：head/end 指向缓冲区起止，data/tail 指向当前协议层数据起止。
head ~ data 之间的空隙是预留给各层"往下加头"的空间------这就是为什么 TCP/IP 加头不需要拷贝。
next/prev 支持分片链表；cb[] 是各层存放私有信息的控制块。

struct net_device：网卡的"抽象基类"

描述设备属性：name、dev_addr、mtu、state、features。
通过两个 ops 指针暴露行为：
- netdev_ops：ndo_open、ndo_stop、ndo_start_xmit 等
- ethtool_ops：ethtool 工具调用的入口
这是典型的策略模式 ：net_device 是上下文，netdev_ops 是可替换的策略。

2.3 socket 如何接入 VFS

内核为 socket 专门注册了一个伪文件系统 sockfs：

c 复制代码

// net/socket.c
static int __init sock_init(void) {
    init_inodecache();
    register_filesystem(&sock_fs_type);   // 注册 "sockfs"
    sock_mnt = kern_mount(&sock_fs_type); // 内核内部挂载
}

struct socket 和 struct inode 被捆绑在同一个结构体 socket_alloc 里，通过 SOCKET_I() / SOCK_INODE() 互相转换。当应用调用 read()/write() 时，VFS 会调用 socket_file_ops 里的 sock_read_iter / sock_write_iter，从而进入网络子系统。

c 复制代码

static const struct file_operations socket_file_ops = {
    .read_iter  = sock_read_iter,   // read()/readv()
    .write_iter = sock_write_iter,  // write()/writev()
    .poll       = sock_poll,        // poll/epoll
    .unlocked_ioctl = sock_ioctl,   // ioctl
    .release    = sock_close,       // close()
    ...
};

小结：socket 之所以能用 read/write，是因为内核给它伪造了一个文件系统。这是 Unix "一切皆文件"哲学在网络的延伸。

3. Kconfig 到设备树：让驱动跑起来

3.1 编译配置

最简配置（RK3568 + GMAC0 + YT8531C）：

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CONFIG_NET=y
CONFIG_INET=y
CONFIG_PACKET=y
CONFIG_UNIX=y

# DWMAC 平台驱动
CONFIG_NETDEVICES=y
CONFIG_ETHERNET=y
CONFIG_NET_VENDOR_STMICRO=y
CONFIG_STMMAC_ETH=y
CONFIG_STMMAC_PLATFORM=y
CONFIG_DWMAC_ROCKCHIP=y
CONFIG_DWMAC_GENERIC=y
CONFIG_STMMAC_ETHTOOL=y
CONFIG_STMMAC_FULL=y

# PHY 框架（由 STMMAC_ETH 自动 select，一般不需要手配）
CONFIG_PHYLINK=y
CONFIG_PHYLIB=y
CONFIG_MDIO_DEVICE=y
CONFIG_OF_MDIO=y
CONFIG_FIXED_PHY=y
CONFIG_SWPHY=y

# YT 专用驱动
CONFIG_MOTORCOMM_PHY=y
CONFIG_ROCKCHIP_PHY=y

注：select 是 Kconfig 的自动依赖，不要和"用户手动开启"混淆。当你打开 STMMAC_ETH，PHYLIB/MII/PAGE_POOL 等会被自动拉进来。

3.2 设备树

设备树需要描述三件事：GMAC 控制器本身、MDIO 总线、PHY 设备。

dts 复制代码

/* GMAC 控制器 */
gmac0: ethernet@fe2a0000 {
    compatible = "rockchip,rk3568-gmac", "snps,dwmac-4.20a";
    reg = <0x0 0xfe2a0000 0x0 0x10000>;

    /* GMAC 核心中断 + 唤醒中断 */
    interrupts = <GIC_SPI 27 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>,
                 <GIC_SPI 24 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>;
    interrupt-names = "macirq", "eth_wake_irq";

    /* 通过 GRF 控制 GMAC 行为 */
    rockchip,grf = <&grf>;

    /* 时钟：GMAC 主时钟、RGMII RX/TX、AXI、APB、PTP、XPCS 等 */
    clocks = <&cru SCLK_GMAC0>, <&cru SCLK_GMAC0_RX_TX>,
             <&cru SCLK_GMAC0_RX_TX>, <&cru CLK_MAC0_REFOUT>,
             <&cru ACLK_GMAC0>, <&cru PCLK_GMAC0>,
             <&cru SCLK_GMAC0_RX_TX>, <&cru CLK_GMAC0_PTP_REF>,
             <&cru PCLK_XPCS>, <&cru CLK_XPCS_EEE>;
    clock-names = "stmmaceth", "mac_clk_rx", "mac_clk_tx",
                  "clk_mac_refout", "aclk_mac", "pclk_mac",
                  "clk_mac_speed", "ptp_ref", "pclk_xpcs", "clk_xpcs_eee";

    /* AXI 域软复位（仅复位 DMA 部分） */
    resets = <&cru SRST_A_GMAC0>;
    reset-names = "stmmaceth";

    /* 可选特性 */
    snps,mixed-burst;
    snps,tso;

    /* AXI / MTL 配置 */
    snps,axi-config = <&gmac0_stmmac_axi_setup>;
    snps,mtl-rx-config = <&gmac0_mtl_rx_setup>;
    snps,mtl-tx-config = <&gmac0_mtl_tx_setup>;
    status = "disabled";

    /* 内置 MDIO 控制器 */
    mdio0: mdio {
        compatible = "snps,dwmac-mdio";
        #address-cells = <1>;
        #size-cells = <0>;
    };

    gmac0_stmmac_axi_setup: stmmac-axi-config {
        snps,wr_osr_lmt = <4>;   // 最多 4 个未完成写请求
        snps,rd_osr_lmt = <8>;   // 最多 8 个未完成读请求（RX 路径更敏感）
        snps,blen = <0 0 0 0 16 8 4>;  // 只允许 16/8/4 字节突发
    };

    gmac0_mtl_rx_setup: rx-queues-config {
        snps,rx-queues-to-use = <1>;
        queue0 {};
    };
    gmac0_mtl_tx_setup: tx-queues-config {
        snps,tx-queues-to-use = <1>;
        queue0 {};
    };
};

/* MDIO 总线上的 PHY */
&mdio0 {
    rgmii_phy0: phy@0 {
        compatible = "ethernet-phy-ieee802.3-c22";
        reg = <0x0>;
    };
};

/* GMAC 的板级配置 */
&gmac0 {
    phy-mode = "rgmii";
    clock_in_out = "output";   // GMAC 向 PHY 输出 125MHz

    /* YT8531C 复位引脚 */
    snps,reset-gpio = <&gpio2 RK_PD3 GPIO_ACTIVE_LOW>;
    snps,reset-active-low;
    snps,reset-delay-us = <0 20000 100000>;  // pre 0ms / assert 20ms / post 100ms

    /* 时钟父源与频率 */
    assigned-clocks = <&cru SCLK_GMAC0_RX_TX>, <&cru SCLK_GMAC0>;
    assigned-clock-parents = <&cru SCLK_GMAC0_RGMII_SPEED>, <&cru CLK_MAC0_2TOP>;
    assigned-clock-rates = <0>, <125000000>;

    pinctrl-names = "default";
    pinctrl-0 = <&gmac0_miim &gmac0_tx_bus2 &gmac0_rx_bus2
                 &gmac0_rgmii_clk &gmac0_rgmii_bus>;

    /* RGMII 延时：YT8531C 每步 150ps */
    tx_delay = <0x24>;
    rx_delay = <0x33>;

    phy-handle = <&rgmii_phy0>;
    status = "okay";
};

3.3 Rootfs 工具

复制代码

BR2_SYSTEM_DHCP="eth0"
BR2_PACKAGE_IPROUTE2=y
BR2_PACKAGE_ETHTOOL=y
BR2_PACKAGE_IPERF3=y

BusyBox udhcpc 相关：

复制代码

CONFIG_UDHCPC=y
CONFIG_UDHCPC_DEFAULT_SCRIPT="/usr/share/udhcpc/default.script"
CONFIG_UDHCPC_DEFAULT_INTERFACE="eth0"
CONFIG_IFUPDOWN_UDHCPC_CMD_OPTIONS="-R -b"  # -b 后台运行，不阻塞 init
CONFIG_MOUNTPOINT=y
CONFIG_MKTEMP=y
CONFIG_PIDOF=y

-b 非常关键：没有它，udhcpc 拿不到租约会一直阻塞 init，导致系统卡在启动阶段。

4. Probe → Link Up：上电到链路

4.1 平台驱动注册

dwmac-rk.c 通过 of_match_table 匹配 rockchip,rk3568-gmac，进而调用 rk_gmac_probe：

c 复制代码

static int rk_gmac_probe(struct platform_device *pdev)
{
    /* 1. 解析设备树（时钟、复位、延迟、PHY 等） */
    plat_dat = stmmac_probe_config_dt(pdev, &stmmac_res.mac);
    plat_dat->bsp_priv = rk_gmac_setup(pdev, plat_dat, data);
    rk_gmac_clk_init(plat_dat);
    rk_gmac_powerup(plat_dat->bsp_priv);

    /* 2. 创建 net_device、初始化 MAC、注册 MDIO 与 PHY */
    ret = stmmac_dvr_probe(&pdev->dev, plat_dat, &stmmac_res);

    /* 3. 调试用 sysfs */
    dwmac_rk_create_loopback_sysfs(&pdev->dev);
}

stmmac_dvr_probe 内部依次做：

alloc_etherdev 创建 net_device，私有数据为 stmmac_priv
stmmac_set_ethtool_ops 绑定 ethtool_ops
stmmac_hw_init 初始化 MAC 硬件
dma_set_mask_and_coherent 设置 DMA 掩码
stmmac_napi_add 注册 NAPI
stmmac_mdio_register 注册 MDIO 总线
stmmac_phy_setup 创建 PHY 设备
register_netdev 注册网络设备到内核

4.2 net_device_ops：驱动对外的"接口表"

c 复制代码

static const struct net_device_ops stmmac_netdev_ops = {
    .ndo_open            = stmmac_open,
    .ndo_stop            = stmmac_release,
    .ndo_start_xmit      = stmmac_xmit,
    .ndo_change_mtu      = stmmac_change_mtu,
    .ndo_set_rx_mode     = stmmac_set_rx_mode,
    .ndo_tx_timeout      = stmmac_tx_timeout,
    .ndo_do_ioctl        = stmmac_ioctl,
    .ndo_set_mac_address = stmmac_set_mac_address,
    ...
};

4.3 `ifconfig eth0 up` 的完整调用链

复制代码

用户态: ifconfig eth0 up
   │  ioctl(SIOCSIFFLAGS, IFF_UP)
   ▼
sys_ioctl → sock_ioctl → dev_ioctl
   │
   ▼
dev_ifsioc(SIOCSIFFLAGS)
   └─ dev_change_flags(dev, flags)
        └─ __dev_change_flags()
              if ((old_flags ^ flags) & IFF_UP)
                  __dev_open(dev)
   │
   ▼
__dev_open()
   ├─ set_bit(__LINK_STATE_START, &dev->state)
   ├─ ops->ndo_validate_addr(dev)
   └─ ops->ndo_open(dev)   →   stmmac_open
   │
   ▼
stmmac_open() → phylink_start()
   └─ phylink_run_resolve() 启动状态机
   │
   ▼
[对端 Link 建立] PHY 自协商完成 → phy_state_machine()
   └─ phy_check_link_status() 读 BMSR 得 link=1
        └─ phylink_phy_change(up=true)
             └─ phylink_resolve() 得出 link_state.link=true
                  └─ phylink_link_up()
                       ├─ mac_link_up() → stmmac_mac_link_up()  设置速率/双工/流控
                       ├─ netif_carrier_on() → linkwatch → RTM_NEWLINK
                       └─ 用户态收到 netlink 事件 → udhcpc 启动

关键点 ：ifconfig up 只是"打开设备"，真正 Link Up 是 PHY 自协商完成后的异步事件，由 phylink 状态机驱动，最终通过 netlink 通知用户态。

5. 数据路径：TX / RX

5.1 发送路径（socket → 网线）

复制代码

用户态 send() / sendto() / write()
   │
   ▼
传输层：
   TCP: tcp_sendmsg → tcp_write_xmit → tcp_transmit_skb → ip_queue_xmit
   UDP: udp_sendmsg → udp_send_skb → ip_send_skb
   │
   ▼
网络层：ip_output → ip_finish_output → ip_finish_output2
   │
   ▼
邻居子系统：ARP 解析后 neigh_output → dev_queue_xmit
   │
   ▼
Qdisc（默认 pfifo_fast / mq）：__dev_queue_xmit → sch_direct_xmit
   │
   ▼
ndo_start_xmit = stmmac_xmit
   ├─ 判断 TSO/GSO → stmmac_tso_xmit（硬件分段）
   ├─ stmmac_tx_avail 检查环形缓冲余量，不足则停队列
   ├─ 取空闲 TX DMA 描述符
   ├─ dma_map_single 首部 + skb_frag_dma_map 分片
   ├─ stmmac_prepare_tx_desc 填描述符（长度 / FS/LS / 校验和 / TBS）
   ├─ stmmac_set_tx_owner 置 OWN=1
   ├─ wmb() 屏障，保证描述符写入对 DMA 可见
   ├─ stmmac_enable_dma_transmission（写 DMA_CHAN_TX_CONTROL.ST）
   └─ stmmac_set_tx_tail_ptr（doorbell，通知 DMA 有新帧）
   │
   ▼  返回 NETDEV_TX_OK
【硬件 DMA】读描述符 → 读 buffer → 写 MAC TX FIFO
   → MAC 加前导码/帧头/FCS → PHY 编码 → 网线
   → 发送完毕清 OWN 位
   │
   ▼
发送完成中断 / 合并定时器：
   TI 中断 → stmmac_interrupt → stmmac_dma_interrupt → stmmac_napi_check
   → __napi_schedule(&ch->tx_napi)
   │
   ▼
stmmac_napi_poll_tx → stmmac_tx_clean
   ├─ 遍历 dirty_tx：stmmac_tx_status 检查 OWN，仍为 1 则 break
   ├─ dma_unmap_single/page 解除映射
   ├─ dev_consume_skb_any 释放 skb
   ├─ release_tx_desc 清描述符
   └─ 余量足够则 netif_tx_wake_queue 唤醒被停的队列

5.2 接收路径（网线 → socket）

复制代码

准备阶段：stmmac_rx_refill
   ├─ page_pool_alloc_pages 分配收包缓冲页
   ├─ stmmac_set_desc_addr 把 DMA 地址写入描述符
   ├─ stmmac_set_rx_owner 置 OWN=1
   └─ stmmac_set_rx_tail_ptr（doorbell，告诉 GMAC 有空 buffer）
   │
   ▼
网线 → PHY（解码/时钟恢复）→ MAC（校验目的地址/FCS）→ RX FIFO
   │
   ▼
【硬件 DMA】按 RX 描述符写 buffer，写回状态，清 OWN=0
   │
   ▼  产生 RI 中断
上半部：stmmac_interrupt → stmmac_dma_interrupt → stmmac_napi_check
   └─ 命中 handle_rx → 关 RX 中断 + __napi_schedule(&ch->rx_napi)
   │
   ▼  软中断 NET_RX_SOFTIRQ
下半部：stmmac_napi_poll_rx → stmmac_rx
   ├─ 取 cur_rx 描述符，stmmac_rx_status 检查 OWN
   ├─ 计算长度（含 split header）
   ├─ 组装 skb：
   │     小包：napi_alloc_skb + skb_copy_to_linear_data
   │     大包：skb_add_rx_frag + page_pool_release_page（零拷贝）
   ├─ 处理 VLAN / 时间戳 / 校验和 / RSS 哈希
   └─ napi_gro_receive（GRO 合并）
   │
   ▼
netif_receive_skb → __netif_receive_skb_core（按协议分发）
   │
   ▼
网络层：ip_rcv → ip_local_deliver → ip_local_deliver_finish
   │
   ▼
传输层：
   TCP: tcp_v4_rcv → tcp_data_queue → sk_receive_skb
   UDP: udp_rcv → udp_queue_rcv_one_skb → sk_receive_skb
   │
   ▼
sk_data_ready 唤醒阻塞进程 → 用户态 recv()/read()
   │
   ▼
NAPI 收尾：stmmac_rx_refill 补页 → napi_complete_done → 重新使能 RX 中断

一句话总结：TX 是"驱动填描述符 → 硬件 DMA 读 → 发出 → 中断回收"；RX 是"驱动预填页 → 硬件 DMA 写 → 中断 → NAPI 组装 skb → 上送协议栈 → 补页"。

6. 最后一公里：DHCP 与 ARP

6.1 DHCP：让设备拿到 IP

DHCP 基于 UDP，服务端 67、客户端 68。典型四步：

步骤	方向	源 IP	目的 IP	源 MAC	目的 MAC
Discover	Client → Broadcast	0.0.0.0	255.255.255.255	本机 MAC	ff:ff:ff:ff:ff:ff
Offer	Server → Client	服务器 IP	广播/单播	服务器 MAC	客户端 MAC
Request	Client → Broadcast	0.0.0.0	255.255.255.255	本机 MAC	ff:ff:ff:ff:ff:ff
ACK	Server → Client	服务器 IP	广播/单播	服务器 MAC	客户端 MAC

BusyBox 的 udhcpc 关键选项：

复制代码

CONFIG_IFUPDOWN_UDHCPC_CMD_OPTIONS="-R -b"

-R：释放租约
-b：拿不到租约时后台运行，不阻塞 init

6.2 ARP：IP → MAC 的翻译官

ping 的典型流程：

复制代码

1. 查路由表
   同网段 → 直接解析目标 IP
   跨网段 → 解析网关 IP
2. 查 ARP 缓存
   命中 → 直接发送
   未命中 → 广播 ARP Request: "Who has 192.168.1.1? Tell 192.168.1.100"
3. 目标回复 ARP Reply
4. 发送 ICMP Echo Request
5. 收到 ICMP Echo Reply

ARP 缓存有老化时间，过期后会重新广播。设备启动或 IP 变更时会发免费 ARP，用于检测 IP 冲突并通知邻居更新缓存。

6.3 兜底：DHCP 拿不到参数怎么办

情况	处理
DHCP 服务未启动	用默认静态 IP / 掩码 / 网关 / DNS
DHCP 返回不完整	使用已有 IP；掩码默认 `255.255.255.255`；网关默认 `0.0.0.0`；DNS 默认 `8.8.8.8`

7. 调试与调优：从"能通"到"跑满"

7.1 常用工具速查

工具	用途	关键命令
iproute2	接口启用、IP 配置	`ip link set eth0 up`、`ip addr add 192.168.1.100/24 dev eth0`
ethtool	链路状态、驱动统计	`ethtool eth0`、`ethtool -i eth0`、`ethtool -S eth0`、`ethtool -d eth0`
phytool	读写 PHY 寄存器	`phytool read eth0/0/0x11`
iperf3	吞吐量测试	`iperf3 -c <IP> -t 10`、`-P 4`、`-R`、`-u -b 1G`
ftrace	函数调用链追踪	`echo function_graph > current_tracer`、`echo 'stmmac' > set_ftrace_filter`

7.2 RGMII 延时调校（最关键的一步）

原理：RGMII 时钟和数据同源发出，接收端必须在数据稳定窗口的中央采样。做法是把时钟延迟半个周期，让时钟沿落在数据眼图中央。

三种调法：

经验值：参考 SoC 厂商 / PHY 厂商给的推荐值。
眼图测量：示波器探头接 PHY 端 GTXCLK 和 TXD，以 TXD 触发，调 delayline 使时钟沿落在眼图中央。
误码率扫描 ：用 iperf3 配合 ethtool -S 统计 CRC 错误，扫描 tx_delay/rx_delay 找最优值。

dts 复制代码

tx_delay = <0x24>;   // YT8531C 每步 150ps
rx_delay = <0x33>;

诊断命令：

bash 复制代码

ethtool -S eth0 | grep -E 'rx_crc|rx_errors|tx_errors|rx_over|tx_under'

7.3 DMA 性能三要素

（1）突发长度 snps,blen

AXI 一次 Burst 连续多个 Beat，中间不释放总线。突发越长：

✅ 地址/控制开销占比低，效率高
❌ 单次占用总线时间长，其他主设备（VOP/GPU/USB）等待久

RK3568 的 AXI 是多主共享 ，所以设备树里限制为 16/8/4 字节，避免 GMAC 长时间霸占总线导致显示撕裂或 USB 丢帧。

（2）Outstanding wr_osr_lmt / rd_osr_lmt

AXI 支持多个未完成请求同时在途。DDR 访问延迟约 100~300ns，如果没有 Outstanding，主设备必须等一个请求完全完成才能发下一个。

实际吞吐 ≈ min(突发长度 × Outstanding / 延迟, AXI 带宽上限)。

读比写多（rd=8, wr=4）是因为 RX 路径对延迟更敏感。

（3）FIFO 深度

dts 复制代码

rx-fifo-depth = <16384>;
tx-fifo-depth = <16384>;

FIFO 越深，抗突发能力越强，但占用更多硬件资源。

7.4 ftrace 追踪函数调用

启用配置：

复制代码

CONFIG_FTRACE=y
CONFIG_FUNCTION_TRACER=y
CONFIG_FUNCTION_GRAPH_TRACER=y
CONFIG_DYNAMIC_FTRACE=y

使用：

bash 复制代码

mount -t tracefs nodev /sys/kernel/tracing
cd /sys/kernel/tracing

# 设置 function_graph 跟踪器
echo nop > current_tracer
echo function_graph > current_tracer

# 只跟踪 stmmac 相关函数
echo '*stmmac*' > set_ftrace_filter

# 清空并开始
echo 0 > tracing_on
echo > trace
echo 1 > tracing_on

# 触发操作
ifconfig eth0 up
sleep 3

# 停止并保存
echo 0 > tracing_on
cat trace > /tmp/stmmac_trace.log

7.5 故障排查 Checklist

现象	可能原因	排查命令
`eth0` 不存在	驱动未加载 / 设备树 status 未 okay	`dmesg
Link 不上	PHY 复位失败 / 延时不对 / 网线坏	`ethtool eth0`、`ethtool -S eth0`
能 Link 但 ping 不通	IP/路由/ARP 问题	`ip addr`、`ip route`、`ip neigh`
丢包 / CRC 错误	RGMII 延时不准	`ethtool -S eth0
吞吐量低	DMA 突发 / Outstanding 配置保守	`iperf3 -c ... -P 4`，调 `snps,blen`
系统启动卡住	udhcpc 阻塞 init	检查 `CONFIG_IFUPDOWN_UDHCPC_CMD_OPTIONS="-R -b"`

8. 总结

一块千兆网口从零到跑满，路径是这样的：

复制代码

硬件（RGMII 延时、变压器、PHY 自协商）
  → 编译（Kconfig + 设备树）
    → Probe（rk_gmac_probe → stmmac_dvr_probe）
      → Link Up（phylink 状态机）
        → 数据路径（TX/RX 描述符环 + DMA + NAPI）
          → 协议（DHCP / ARP）
            → 调优（延时 + DMA 参数 + ftrace）

三条最重要的经验：

RGMII 延时是千兆以太网的生命线。延时不对，能 Link 但 CRC 错误率飙升，吞吐量断崖式下跌。
snps,blen / Outstanding 是共享 AXI 总线上的"礼貌参数"。GMAC 不是独占总线，跑满自己的同时不能饿死 VOP/GPU/USB。
udhcpc 的 -b 是启动阶段的救命开关。没有它，DHCP 拿不到地址时系统会卡死在 init。

附：本文参考的内核源码路径

层次	文件
平台胶水	`drivers/net/ethernet/stmicro/stmmac/dwmac-rk.c`
平台通用	`drivers/net/ethernet/stmicro/stmmac/stmmac_platform.c`
核心	`drivers/net/ethernet/stmicro/stmmac/stmmac_main.c`
MDIO	`drivers/net/ethernet/stmicro/stmmac/stmmac_mdio.c`
PHY 驱动	`drivers/net/phy/motorcomm.c`
PHY 框架	`drivers/net/phy/phylink.c` / `phy_device.c` / `mdio_bus.c` / `of_mdio.c`
设备树	`arch/arm64/boot/dts/rockchip/rk3568.dtsi` / `rk3568-evb1-ddr4-v10.dtsi`
Socket	`net/socket.c`
设备层	`net/core/dev.c` / `net/core/dev_ioctl.c`

Linux驱动：RK3568 GMAC + YT8531C 千兆以太网全流程解剖

从零到跑满千兆：RK3568 GMAC + YT8531C 全流程解剖

0. 阅读地图

1. 硬件与背景

1.1 GMAC 是什么

1.2 GMAC 内部框图

1.3 RGMII 接口

1.4 MDIO 接口

1.5 数据通路（粗粒度）

1.6 PHY：物理层芯片

1.7 网络变压器

1.8 RJ45 接口

1.9 YT8531C：以太网收发器

1.10 三块拼图总结

2. 内核网络栈全景

2.1 一张图看清分层

2.2 两个核心数据结构

2.3 socket 如何接入 VFS

3. Kconfig 到设备树：让驱动跑起来

3.1 编译配置

3.2 设备树

3.3 Rootfs 工具

4. Probe → Link Up：上电到链路

4.1 平台驱动注册

4.2 net_device_ops：驱动对外的"接口表"

4.3 ifconfig eth0 up 的完整调用链

5. 数据路径：TX / RX

5.1 发送路径（socket → 网线）

5.2 接收路径（网线 → socket）

6. 最后一公里：DHCP 与 ARP

6.1 DHCP：让设备拿到 IP

6.2 ARP：IP → MAC 的翻译官

6.3 兜底：DHCP 拿不到参数怎么办

7. 调试与调优：从"能通"到"跑满"

7.1 常用工具速查

7.2 RGMII 延时调校（最关键的一步）

7.3 DMA 性能三要素

7.4 ftrace 追踪函数调用

7.5 故障排查 Checklist

8. 总结

4.3 `ifconfig eth0 up` 的完整调用链